Οι ερευνητές της Sandia χρησιμοποιούν τις κβαντικές κουκίδες για παραγωγή λευκού φωτός από σώματα στερεάς κατάστασης

Από σελίδα της Sandia, 21 Ιουλίου 2003

Η Lauren Rohwer, κύρια ερευνήτρια στα εργαστήρια Sandia, παρουσιάζει τις δύο συσκευές στερεάς κατάστασης, που εκπέμπουν φως χρησιμοποιώντας τις κβαντικές κουκίδες ή τελείες, τις οποίες έχει  αναπτύξει η ομάδα της. Η μία είναι μπλε και η άλλη είναι λευκή.

Σε ένα διαφορετικό τρόπο δημιουργίας του λευκού φωτός προχώρησαν διάφοροι ερευνητές στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia, αναπτύσσοντας την πρώτη συσκευή στερεάς κατάστασης που εκπέμπει λευκό φως χρησιμοποιώντας τις κβαντικές κουκίδες ή τελείες. Στο μέλλον, η χρήση των κβαντικών κουκίδων ως πηγές φωτός, μέσω μιας διάταξης φωσφορισμού, μπορεί να αντιπροσωπεύσει μια σημαντική εφαρμογή της νανοτεχνολογίας.

H Lauren Rohwer, ανακοίνωσε ότι αυτή η φωτεινή πηγή είναι αποδοτική, χαμηλού κόστους και αν αναπτυχθεί ίσως θα γίνει μια επανάσταση στην τεχνολογία του φωτισμού μέσω υλικών νανοκλίμακας. Μάλιστα η Rohwer και η ομάδα της άρχισαν αυτό το πρόγραμμα 2,5 χρόνια πριν.

Αυτή η εφαρμογή είναι βασισμένη στην ενσωμάτωση ημιαγωγών κβαντικών κουκίδων  —  νανοσωματίδια μεγέθους περίπου ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου —  και με ειδική επεξεργασία των επιφανειών τους ώστε να εκπέμπουν ικανοποιητικά ορατό φως, όταν διεγείρονται από φως στο εγγύς υπεριώδες, κοντά σε 400 nm, από διόδους LED. Οι κβαντικές κουκίδες απορροφούν έντονα το φως στο εγγύς υπεριώδες και επανεκπέμπουν ορατό φως. Το χρώμα του δε καθορίζεται και από το μέγεθός τους και από τη χημεία της επιφάνειας.

Αυτή η συσκευή, που βασίζεται στο φαινόμενο του νανοφωσφορισμού, είναι αρκετά διαφορετική από τις ημιαγωγικές συσκευές που βασίζονται στην αύξηση της μπλε, της πράσινης, και της κόκκινης ακτινοβολίας και που απαιτούν προσεκτική μίξη αυτών των αρχικών χρωμάτων για να παραγάγουν λευκό φωτισμό. Για να βγουν και τα τρία χρώματα σε μια τέτοια συσκευή απαιτούνται δαπανηρά chip, τα οποία πιθανώς δεν μπορούν να ανταγωνιστούν με το συμβατικό φωτισμό φθορισμού αλλά μπορεί να είναι ελκυστικά για πιο εξειδικευμένες εφαρμογές φωτισμού.

Τα LED, για φωτισμό στερεάς κατάστασης, εκπέμπουν τυπικά στο εγγύς UV προς το μπλε τμήμα του φάσματος, γύρω στα 380-420 nm. Τα συμβατικά φωσφορούχα υλικά που χρησιμοποιούνται στις λάμπες φθορισμού δεν είναι ιδανικά για το φωτισμό της στερεάς κατάστασης επειδή έχουν φτωχή απορρόφηση σε αυτές τις ενέργειες. Έτσι οι ερευνητές σε όλον τον κόσμο έχουν ψάξει για άλλες χημικές ενώσεις ώστε να είναι κατάλληλα ως φωσφορούχα υλικά στον φωτισμό της στερεάς κατάστασης.

Οι κβαντικές κουκίδες ή τελείες αντιπροσωπεύουν μια νέα προσπέλαση. Οι κβαντικές κουκίδες, μεγέθους νανομέτρ, έχουν μέγεθος πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του ορατού φωτός.

Ο νανοφωσφορισμός, που βασίζεται στις κβαντικές κουκίδες, έχει δύο σημαντικά πλεονεκτήματα από τις συμβατικές φωσφορούχες σκόνες. Πρώτον, ενώ οι οπτικές ιδιότητες των συμβατικών φωσφορούχων υλικών καθορίζονται απλώς από τη χημική σύνθεση του υλικού, στις κβαντικές κουκίδες οι οπτικές ιδιότητες, όπως η απορροφητικότητα του φωτός, καθορίζεται από το μέγεθος της κουκίδας. Η αλλαγή του μεγέθους δημιουργεί δραματικές αλλαγές στο χρώμα.

Το μικρό μέγεθος της κουκίδας επίσης σημαίνει ότι, τυπικά, το 70% των ατόμων είναι στις περιοχές της επιφάνειας, έτσι ώστε οι χημικές αλλαγές σε αυτές τις περιοχές να επιτρέπουν το συντονισμό των ιδιοτήτων των κουκίδων που εκπέμπουν το φως. Με τον τρόπο αυτό επιτρέπεται η εκπομπή πολλαπλάσιων χρωμάτων από μια κουκίδα.

Υπάρχουν μάλιστα δύο τρόποι για το συντονισμό των οπτικών ιδιοτήτων, επιπρόσθετα με τη χημική σύνθεση των ιδίων των κβαντικών κουκίδων.

Μέχρι σήμερα, οι συσκευές κβαντικών κουκίδων της Sandia έχουν φτιαχτεί κατά ένα μεγάλο μέρος από το ημιαγωγικό υλικό θειούχο κάδμιο. Το κάδμιο είναι ένα τοξικό βαρύ μέταλλο και χρησιμοποιείται για να κάνει το νανοφωσφορισμό. Ευτυχώς όμως, οι φωσφορούχες κβαντικές κουκίδες μπορούν επίσης να γίνουν και από άλλους τύπους υλικών, συμπεριλαμβανομένων και του μη τοξικού ημιαγωγού από πυρίτιο ή γερμάνιο με εκπεμπόμενα ιόντα όπως το μαγγάνιο στην επιφάνεια των κβαντικών κουκίδων. Φυσικά το πυρίτιο, που είναι άφθονο, φτηνό, και μη τοξικό, θα ήταν ένα ιδανικό υλικό.